Ulike typer katalysatorer

I kjemi, a katalysator er et stoff som fremskynder hastigheten på en reaksjon uten å bli konsumert i reaksjonen. Enhver reaksjon som bruker en katalysator kalles katalyse. Vær forsiktig med dette skillet når du leser kjemimateriale; en katalysator (flertall "katalysatorer") er en fysisk substans, men katalyse (flertall "katalyserer") er en prosess.

En oversikt over hver av klassene katalysatorer er et nyttig utgangspunkt for å lære analytisk kjemi og forstå hva som skjer på molekylært nivå når du blander stoffer sammen og en reaksjon oppstår. Katalysatorer og deres tilknyttede katalytiske reaksjoner finnes i tre hovedtyper: homogene katalysatorer, heterogene katalysatorer og biokatalysatorer (vanligvis kalt enzymer). Mindre vanlige, men fortsatt viktige typer katalysatoraktiviteter inkluderer fotokatalyse, miljøkatalyse og grønne katalytiske prosesser.

De fleste faste katalysatorer er metaller (f.eks. Platina eller nikkel) eller nærmetaller (f.eks. Silisium, bor og aluminium) festet til grunnstoffer som oksygen og svovel. Katalysatorer som er i væske- eller gassfasen består mer sannsynlig av et enkelt element, selv om de kan kombineres med løsningsmidler og annet materiale, og faste katalysatorer kan spres i en fast eller flytende matrise kjent som en katalysatorbærer.

Katalysatorer fremskynder reaksjonene ved å senke aktiveringsenergi E_en av en reaksjon som ville fortsette uten katalysatoren, men langt saktere. Slike reaksjoner har et produkt eller produkter med en lavere total energi enn reaktanten eller reaktantene; var dette ikke tilfelle, ville disse reaksjonene ikke forekomme uten tilsetning av ekstern energi. Men for å komme fra høyere energitilstand til lavere energitilstand, må produktene først "komme over pukkel", den "pukkel" er E_en. Katalysatorer jevner i utgangspunktet støtene langs reaksjonsenergivegen ved å gjøre det lettere for reaktanter for å komme til energien "nedoverbakke" av reaksjonen ved ganske enkelt å senke høyden på "bakketopp."

Kjemiske systemer har eksempler på positive og negative katalysatorer, hvor den tidligere har en tendens til å akselerere reaksjonshastigheten, og negative katalysatorer tjener til å bremse dem. Begge kan være fordelaktige, avhengig av hvilket spesifikt resultat som ønskes.

Katalysatorer utfører sitt arbeid ved midlertidig å binde til eller på annen måte kjemisk modifisere en av reaktantene og endre dens fysiske konformasjon, eller tredimensjonal form, på en måte som gjør det lettere for reaktanten eller reaktantene å bli transformert til en av Produkter. Tenk deg å ha en hund som har rullet i gjørma og må være ren før den kan komme inn. Slammet ville til slutt komme av hunden av seg selv, men hvis du kunne gjøre noe som ba hunden i retning av hagesprinkleren slik at gjørmen raskt ble sprøytet av pelsen, ville du ha tjent som en "katalysator" for den skitne hunden til å rense hunden "reaksjonen."

Oftest dannes et mellomprodukt som ikke er vist i noen ordinær oppsummering av reaksjonen fra en reaktant og katalysatoren, og når dette komplekset endres til ett eller flere sluttprodukter, regenereres katalysatoren som om ingenting hadde skjedd med noe av det alle. Som du vil se snart, kan denne prosessen finne sted på en rekke måter.

En reaksjon vurderes homogent katalysert når katalysatoren og reaktanten / reaktantene er i samme fysiske tilstand eller fase. Dette skjer oftest med gassformige katalysator-reaktantpar. Typer homogene katalysatorer inkluderer organiske syrer der det donerte hydrogenatomet erstattes av et metall, a antall forbindelser som blander karbon og metallelementer i noen form, og karbonylforbindelser koblet til kobolt eller jern.

Et eksempel på denne typen katalyse som involverer væsker er omdannelsen av persulfat- og jodidioner til sulfation og jod:

S₂O₈^2- + 2 jeg^- → 2 SO₄^2- + Jeg₂

Denne reaksjonen ville ha en vanskelig tid å fortsette alene til tross for den gunstige energien, fordi begge reaktanter er negativt ladede, og derfor er deres elektrostatiske egenskaper i motsetning til deres kjemiske kvaliteter. Men hvis jernioner, som har en positiv ladning, tilsettes blandingen, "distraherer" jernet de negative ladningene, og reaksjonen beveger seg raskt fremover.

En naturlig forekommende gasshomogen katalyse er omdannelsen av oksygengass, eller O₂, i atmosfæren til ozon, eller O₃, hvor oksygenradikaler (O^-) er mellomprodukter. Her er ultrafiolett lys fra solen den sanne katalysatoren, men alle fysiske forbindelser som er tilstede er i samme (gass) tilstand.

En reaksjon vurderes heterogent katalysert når katalysatoren og reaktanten / reaktantene er i forskjellige faser, hvor reaksjonen skjer ved grensesnittet mellom dem (oftest den gass-faste "grensen"). Noen av de mer vanlige heterogene katalysatorene inkluderer uorganiske faste stoffer, som ikke inneholder karbon. metaller, sulfider og metallsalter, samt en smatter av organiske stoffer, blant dem hydroperoksider og ion byttere.

Zeolitter er en viktig klasse av heterogene katalysatorer. Dette er krystallinske faste stoffer som består av gjentatte SiO-enheter₄. Enheter på fire av disse sammenføyde molekylene er koblet sammen for å danne forskjellige ring- og burstrukturer. Tilstedeværelsen av et aluminiumatom i krystallet skaper en ladningsubalanse, som oppveies av et proton (dvs. et hydrogenion).

Enzymer er proteiner som fungerer som katalysatorer i levende systemer. Disse enzymene har komponenter som kalles substratbindingssteder, eller aktive steder, hvor molekylene som er involvert i reaksjonen under katalyse blir festet. Komponentdelene i alle proteiner er aminosyrer, og hver av disse individuelle syrene har en ujevn ladningsfordeling fra den ene enden til den andre. Denne egenskapen er hovedårsaken til at enzymer har katalytiske evner.

Det aktive stedet på enzymet passer sammen med den riktige delen av substratet (reaktant), som en nøkkel som går inn i en lås. Merk at katalysatorene beskrevet tidligere ofte katalyserer en rekke forskjellige reaksjoner og derfor ikke har den grad av kjemisk spesifisitet som enzymer gjør.

Generelt, når mer substrat og mer av et enzym er tilstede, vil reaksjonen gå raskere. Men hvis mer og mer substrat tilsettes uten å tilsette mer enzym også, alt enzymatisk bindingssteder blir mettede, og reaksjonen har nådd sin maksimale hastighet for det enzymet konsentrasjon. Hver reaksjon katalysert av et enzym kan representeres i form av mellomproduktene som dannes på grunn av tilstedeværelsen av enzymet. Det vil si i stedet for å skrive:

S → P

for å vise et substrat som blir transformert til et produkt, kan du fremstille dette som:

E + S → ES → E + P

hvor midtbegrepet er enzym-substrat (ES) -komplekset.

Enzymer, selv om de er klassifisert som en kategori av katalysatorer som er forskjellige fra de som er oppført ovenfor, kan være enten homogene eller heterogene.

Enzymer fungerer optimalt innenfor et smalt temperaturområde, noe som er fornuftig gitt at kroppstemperaturen ikke svinger mer enn noen få grader under vanlige forhold. Ekstrem varme ødelegger mange enzymer og får dem til å miste sin spesifikke tredimensjonale form, en prosess som kalles denaturering som gjelder alle proteiner.